Оптоинформатика (стр. 10 из 19)

МЕТАСТАБИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ - возбужденный уровень атома, иона, молекулы или другой квантовой системы, с которого излучательные квантовые переходы на более низкие уровни энергии запрещены правилами отбора. Благодаря этому время жизни на метастабильном уровне велико по сравнению с обычными временами жизни (10^-8 c) возбужденных уровней. При строгом запрете и отсутствии безызлучательных переходов возбужденная квантовая система могла бы оставаться на метастабильном уровне неограниченно долго. Примеры метастабильных уровней - первые возбужденные уровни атомов гелия с энергиями возбуждения 19,82 эВ (триплетный уровень ³S₁) и 20,61 эВ (синглетный уровень ¹S₀). Накопление возбужденных атомов (молекул) на метастабильных уровнях приводит к осуществлению инверсной населенности, которая лежит в основе работы приборов и устройств квантовой электроники.

ИНВЕРСИЯ НАСЕЛЕННОСТЕЙ (от лат. inversion – переворачиваю), возбужденное неравновесное состояние среды, при котором населенность (число возбужденных частиц) верхнего уровня энергии оказывается больше, чем у уровня энергии, расположенного ниже. В обычных условиях при тепловом равновесии в соответствии с распределением Больцмана населенность верхнего уровня всегда меньше, чем населенность нижнего уровня. Инверсия населенностей может быть создана только искусственно, путем внешнего воздействия на активную среду. Процесс создания в среде инверсии населенностей для какой либо пары уровней энергии называют накачкой. Система с инверсией населенностей всегда усиливает излучение за, счет преобладания процессов вынужденного испускания над процессами поглощения. Создание инверсии населенностей является необходимым условием генерации и усиления электромагнитных колебаний в устройствах квантовой электроники -лазерах, мазерах, квантовых, усилителях и др.

АКТИВНАЯ СРЕДА (рабочее тело), вещество в твердом, жидком или газообразном состоянии, на энергетических уровнях которого путем внешнего воздействия (накачки) может быть создана инверсия населенностей, что является необходимым условием для получения вынужденного (стимулированного излучения). Активные среды используют в приборах квантовой электроники, в том числе в лазерах различных типов, для генерации и усиления электромагнитного излучения оптического диапазона.

ОПТИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР (от лат. resono - звучу в ответ, откликаюсь), система из двух и более обращенных друг к другу отражающих поверхностей, в которой могут возбуждаться колебания электромагнитного поля оптического диапазона. В отличие от объемных резонаторов СВЧ диапазона оптический резонатор является открытым резонатором без боковых стенок, геометрические размеры которого во много раз превышают длину волны излучения. В качестве оптических элементов, составляющих оптический резонатор, используют зеркала, полупрозрачные пластины, оптические стопы, призмы полного внутреннего отражения, дифракционные решетки. Открытый оптический резонатор, внутрь которого помешена активная среда с инверсией населенностей, представляет собой оптический генератор (лазер) с положительной обратной связью. Устройство оптического резонатора с активной средой определяет характеристики генерируемого излучения, такие как распределение амплитуды и фазы в поперечном сечении, угловую расходимость излучения, выходящего из резонатора, общую генерируемую мощность (энергию), частотный спектр и состояние поляризации. Расстояние между отражающими поверхностями резонатора определяется размерами применяемой активной среды и колеблется от десятых долей миллиметра (у полупроводниковых лазеров) до нескольких метров у мощных газовых лазеров. Различают линейные и кольцевые оптические резонаторы. Кольцевой резонатор образуется тремя или четырьмя элементами, а осевой контур имеет форму треугольника или четырехугольника.

ЛАЗЕР (оптический квантовый генератор), источник когерентного электромагнитного излучения оптического диапазона, основанный на использовании явления генерации и усиления вынужденного излучения атомов, ионов или молекул, содержащихся в активной среде, помещенной в открытый оптический резонатор. Лазер содержит три основных компонента: активную среду, в которой создают инверсную населенность для какой либо пары или нескольких пар уровней; устройство для создания инверсии в активной среде (систему накачки) и устройство для осуществления обратной связи - оптический резонатор. Как источник излучения лазер осуществляет преобразование энергии вынуждающего источника возбуждения активной среды в энергию когерентного лазерного излучения. Слово LASER - аббревиатура английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” которая дословно переводится как "-усиление света благодаря вынужденному излучению".

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. - М., 1998. - 656 с.

2. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л., 1983. - 600 с.

3. Международный светотехнический словарь / Под ред. Лазарева Д.Н. - М., 1979.

4. Справочник по инфракрасной технике. T.I. Физика ИК излучения: Пер. с англ. / Под ред. Васильева Н.В., Мирошникова М.М. - М., 1995.

5. ГОСТ 7601-78. Физическая оптика. Термины и определения основных величин. - М.: Госстандарт, 1978.

6. Горелик Г.С. Колебания и волны. - М., 1959.

Когерентный и некогерентный свет

С.А.Козлов

Введение.

Можно уверенно прогнозировать, что в XXI веке из областей физических знаний, которые в наибольшей степени будут определять появление и развитие прогрессивных технологий, особо выделится оптика. Поэтому нынешнему школьнику, который завтра сам станет творцом таких технологий или, по крайней мере, потребителем продукции, созданной на их основе, полезно знать многое о природе света и его важнейших свойствах. В настоящей статье мы обсудим когерентность оптического излучения.

Временная когерентность света.

С позиций классической физики свет - это волны электромагнитной природы. Простейшим объектом анализа теории волн является плоская монохроматическая волна вида

(1)

где z - координата декартовой оси, вдоль которой распространяется волна, t - время, k - волновое число, w - частота волны, E₀ - ее амплитуда. В оптике при анализе распространения световых волн в качестве поля E в (1) обычно рассматривают напряженность электрического поля излучения.

В любой точке пространства колебания величины поля E, в соответствии с (1), являются гармоническими. Дадим этому факту трактовку, которая позволит ввести понятие когерентности световой волны. Проведем следующий мысленный эксперимент: пронаблюдаем за колебаниями E в произвольно выбранной точке пространства с координатой z₀, начиная с некоторого момента t₀. Это гармонические колебания с начальной фазой

(см. рис. 1а). Прервемся на некоторое время от эксперимента. После промежутка времени t, отсчитанного от момента t₀, вновь приступим к наблюдению колебаний в той же точке пространства. Разумеется, эти колебания по-прежнему будут гармоническими с тем же периодом . Изменится, как продемонстрировано на рис. 1б, лишь начальная фаза колебаний Колебания, наблюдавшиеся нами в точке z₀ в окрестности времени t₀ и в окрестности времени t₀+t согласованны. Они характеризуются неизменной с течением времени разностью фаз Колебания, удовлетворяющие такому условию, называют когерентными. Для монохроматической волны (1) приведенные выводы о согласованности колебаний в произвольно выбранной точке пространства в окрестности времен, разделенных временным промежутком t, справедливы, разумеется, и для случая сколь угодно большого t. Поэтому говорят, что волна (1) характеризуется полной временной когерентностью.

Физически реализуемое оптическое излучение - объект более сложный, чем волна (1), которая описывает абстрактный бесконечный в пространстве и времени процесс. В реальных световых волнах согласованность колебаний в точках пространства, через которые проходит излучение, сохраняется лишь некоторое не бесконечное время t_ког. При этом говорят, что волна характеризуется частичной временной когерентностью. Параметр t_ког, численно описывающий это свойство излучения, называется временем когерентности.

Природа частичной когерентности света.

Чтобы выяснить, чем определяется t_ког, обратимся к фундаментальной проблеме возникновения оптического излучения. С точки зрения классической физики излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Свечение тел объясняется испусканием света атомами или молекулами вещества, поскольку последние могут быть промоделированы как системы ускоренно движущихся друг относительно друга положительных и отрицательных зарядов. Движение зарядов предполагается колебательным. В его процессе энергия атома переходит в энергию излучения, поэтому колебания являются затухающими, и поле сферической волны, испускаемой отдельным атомом, имеет вид волнового цуга